بِسْــــــــــــــــــمِ اﷲِالرَّحْمَنِ اارَّحِيم
ABSTRAK
Penelitian ini bertujuan untuk merancang dan mengevaluasi sistem baru melalui pendekatan simulasi berbasis Computational Fluid Dynamics (CFD). Desain baru difokuskan pada peningkatan efisiensi aerodinamis dengan memodifikasi geometri untuk menghasilkan distribusi tekanan yang lebih merata dan mengurangi gaya hambat. Hasil simulasi menunjukkan peningkatan performa dibandingkan sistem lama, dengan penurunan koefisien drag sebesar 10–15% tanpa mengorbankan kemampuan lift. Evaluasi juga mengidentifikasi bahwa desain baru lebih stabil dalam aliran, meskipun terdapat keterbatasan seperti ketergantungan pada kondisi simulasi ideal. Secara keseluruhan, desain yang dikembangkan terbukti lebih efektif dan memiliki potensi kuat untuk aplikasi praktis ke depan.
DEKLARASI PENULIS
السَّلاَمُ عَلَيْكُمْ وَرَحْمَةُ اللهِ وَبَرَكَاتُهُ
Segala puji bagi Allah yang telah memberikan kita nikmat kesehatan dan menganugerahkan akal kepada manusia untuk memahami dan mengembangkan ilmu pengetahuan. Allah ﷻ berfirman: “Dan tidaklah Kami menciptakan langit dan bumi serta apa yang ada di antara keduanya dengan sia-sia…” (QS. Sad: 27). Ayat ini mengingatkan kita bahwa ilmu dan teknologi yang kita pelajari harus selaras dengan hukum-hukum alam yang telah ditetapkan oleh-Nya.
Dengan pemecahan masalah dengan DAI5 framework saya berharap agar ilmu yang sudah saya pelajari akan bermanfaat pada masa yang akan datang.
- Deep Awareness (of) I
saya menyadari bahwa setiap keputusan dalam proses desain membawa konsekuensi yang tidak hanya teknis, tetapi juga etis dan spiritual. Dalam proyek ini, saya tidak hanya bertujuan merancang propeller UAV yang efisien secara struktural, namun juga memaknainya sebagai bentuk tanggung jawab terhadap keselamatan pengguna, keberlanjutan lingkungan, dan niat untuk memberikan manfaat nyata bagi masyarakat. Saya memahami bahwa teknologi adalah perpanjangan dari niat manusia, dan oleh karenanya, desain harus diselaraskan dengan nilai moral dan keimanan kepada Tuhan Yang Maha Esa.
- Nilai Kegiatan Proyek
Proyek ini bertujuan untuk menganalisis kinerja mekanis dari propeller UAV berbahan aluminium alloy menggunakan Finite Element Analysis (FEA) sebagai upaya untuk meningkatkan efisiensi struktural sekaligus menjamin keselamatan operasional. Melalui pendekatan berbasis simulasi digital, saya berniat mengurangi kebutuhan akan prototipe fisik berulang yang dapat memboroskan material dan energi, sehingga mendukung prinsip rekayasa berkelanjutan.
Lebih dari itu, proyek ini juga bertujuan untuk meningkatkan kekuatan struktural propeller dengan mengidentifikasi dan mengatasi titik-titik lemah pada desain secara dini. Dengan memahami batasan kekuatan dan deformasi dari material yang digunakan, diharapkan desain akhir dapat menghasilkan performa maksimum dengan bobot minimum, sehingga lebih efisien dalam konsumsi daya motor UAV serta lebih tahan terhadap kelelahan material. Dengan demikian, desain yang dihasilkan tidak hanya aman dan ekonomis, tetapi juga lebih andal untuk operasional jangka panjang.
METODE DAN LANGKAH SOLUSI
- Idealisasi
Untuk mempermudah proses simulasi dan menjaga efisiensi komputasi, model propeller disederhanakan dengan beberapa asumsi realistis. Pertama, diasumsikan bahwa material propeller bersifat homogen dan isotropik, artinya sifat mekanisnya seragam ke segala arah. Asumsi ini masuk akal karena propeller dibuat dari aluminium alloy melalui proses manufaktur standar yang memastikan keseragaman struktur material dalam batas toleransi teknis.
Dalam konteks ini, propeller berdiameter 36 cm dengan material Aluminium Alloy yang dirancang untuk UAV berbobot 25 kg, yang berarti sistem membutuhkan gaya dorong (thrust) total minimum sebesar:
Thrust = 25 Kg*9,81 m/s2 =245,35 N
Namun, untuk memastikan stabilitas penerbangan dan kemampuan manuver, biasanya diperlukan cadangan thrust sekitar 30%, sehingga total thrust ideal yang harus dihasilkan oleh propeller adalah sekitar:
245,35 N*130% = 318,825 N
Karena UAV ini menggunakan satu propeller yang dipasang di depan atau belakang, maka seluruh thrust sebesar 318.83 N harus dihasilkan oleh satu propeller secara penuh. Ini menjadi pertimbangan krusial dalam mendesain struktur propeller, agar mampu menahan beban tinggi secara terus menerus tanpa mengalami deformasi berlebih atau risiko kegagalan struktural.
Selanjutnya, beban-beban yang bekerja pada propeller dimodelkan dalam kondisi steady-state, yaitu dianggap konstan dalam suatu titik waktu tertentu. Hal ini memungkinkan hasil simulasi yang lebih stabil dan mudah diinterpretasikan pada tahap awal desain. Beban yang dianalisis mencakup gaya sentrifugal akibat rotasi, serta distribusi tekanan aerodinamis yang bekerja sepanjang permukaan blade.
Pendekatan ini diperkuat oleh hukum dinamika rotasi dalam menganalisis gaya sentrifugal, serta kriteria Von Mises untuk mengevaluasi apakah material mengalami tegangan melebihi batas elastis (yield). Hubungan tegangan-regangan dianalisis secara linier sesuai Hukum Hooke, yang valid untuk beban sedang hingga tinggi pada logam seperti aluminium alloy.
Model ini bertujuan menjadi representasi awal yang cukup akurat dalam mendeteksi titik-titik kritis pada struktur propeller, sebelum melangkah ke desain yang lebih kompleks atau validasi melalui pengujian fisik.
2. Instruction Set
Menentukan Kebutuhan Sistem
Langkah pertama adalah menentukan parameter dasar UAV, termasuk bobot total sebesar 25 kg. Dari sini dihitung kebutuhan gaya dorong (thrust) minimum sebesar 245.25 N (dari 25Kg*9,81m/s2)
Untuk menjamin stabilitas dan manuverabilitas, disiapkan cadangan thrust 30%, sehingga total thrust ideal yang dibutuhkan mencapai 318,83 N. Selain itu, ditentukan bahwa sistem hanya menggunakan satu propeller berdiameter 36 cm, sehingga thrust sebesar ini harus dihasilkan oleh satu unit saja, menjadikannya titik fokus dalam desain struktur propeller.
Menentukan Material dan Dimensi Awal Komponen
Propeller akan dibuat dari aluminium alloy karena bobotnya ringan namun kekuatannya cukup tinggi. Material ini juga umum digunakan dalam industri penerbangan ringan karena kinerjanya yang konsisten dalam kondisi dinamis.
Dimensi awal propeller ditentukan berdasarkan estimasi thrust dan efisiensi aerodinamika, dengan panjang blade total 36 cm. Geometri awal dapat mengacu pada model airfoil yang sesuai (misalnya airfoil efisien untuk low-speed propeller seperti NACA 4412 atau 4415).
Pembuatan Model 3D & Simulasi Struktural Menggunakan FEA
Model 3D propeller dikembangkan dalam software CAD seperti Autodesk Inventor atau SolidWorks, lalu diekspor ke platform FEA seperti ANSYS Mechanical. Simulasi dilakukan dalam kondisi steady-state, dengan pembebanan berupa:
- Gaya sentrifugal akibat rotasi
- Distribusi tekanan aerodinamis pada permukaan blade
- Beban aksial dari thrust 318,83 N.
- Material model menggunakan properti aluminium alloy (misalnya: modulus elastisitas, yield strength, dan Poisson ratio).
Analisis Hasil & Validasi Awal
Hasil simulasi dianalisis untuk mengidentifikasi titik-titik konsentrasi tegangan, deformasi maksimum, dan potensi kegagalan struktural berdasarkan kriteria Von Mises. Jika tegangan melebihi batas elastis material (misalnya, yield strength aluminium sekitar 250 MPa), maka perlu dilakukan:
- Penyesuaian dimensi (misalnya, ketebalan blade atau root)
- Modifikasi geometri (contohnya menambahkan fillet di pangkal blade untuk mengurangi konsentrasi tegangan).
- Revisi kecepatan putaran (RPM) untuk mengurangi gaya sentrifugal.
Iterasi Desain dan Optimasi
Jika hasil awal menunjukkan struktur tidak aman atau tidak efisien, dilakukan iterasi desain berdasarkan hasil simulasi. Tujuan utama adalah menemukan konfigurasi yang mampu menahan beban tanpa deformasi berlebih, sekaligus memaksimalkan efisiensi thrust. Iterasi ini juga bisa mencakup variasi material, pengujian beban dinamis, serta integrasi dengan simulasi aerodinamika (CFD) untuk pendekatan multiphysics.
Finalisasi Desain & Dokumentasi Teknis
Setelah model divalidasi secara struktural, desain akhir dicatat dan disiapkan untuk prototyping atau pengujian fisik. Semua asumsi, parameter material, kondisi pembebanan, serta hasil simulasi disusun dalam laporan teknis sebagai acuan untuk tahap pengembangan selanjutnya.
HASIL DAN DISKUSI
Hasil Simulasi
Berdasarkan hasil desain dan simulasi yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa sistem baru menunjukkan peningkatan performa yang signifikan dibandingkan sistem lama. Penyempurnaan bentuk geometri berhasil menghasilkan aliran yang lebih stabil, distribusi tekanan yang lebih merata, serta pengurangan koefisien drag sebesar 10–15%, tanpa mengorbankan performa lift.
Meskipun sistem baru memiliki beberapa keterbatasan, seperti ketergantungan pada kondisi simulasi ideal dan potensi tantangan dalam manufaktur, keunggulan performa yang diperoleh menunjukkan bahwa desain ini layak untuk dikembangkan lebih lanjut dan diuji dalam kondisi nyata.
Secara keseluruhan, desain baru menawarkan solusi yang lebih efisien dan aerodinamis untuk kebutuhan sistem, membawa peningkatan yang nyata dari versi sebelumnya.
